Современные концепции происхождения жизни

Введение

Гипотезы — это леса, которые возводят перед зданием и сносят, когда здание готово. И. В. Гете

Жизнь — это самое прекрасное и в конечном итоге самое важное из всего того, что существует на нашей планете. Научное раскрытие тайн живой природы имеет исключительное, решающее значение как в теоретическом, мировоззренческом отношении, так и во всех тех областях практической деятельности человека, где он имеет дело с живыми объектами,— в области медицины, сельского хозяйства и ряда отраслей промышленности.

Проблема сущности жизни не может быть рационально разрешена без понимания ее возникновения и развития. Господствовавший еще недавно в естествознании механистический материализм, игнорируя это положение, тщетно пытался познать живой организм как какой-то сложный механизм, разбирая его, как часы, на отдельные винтики и колесики и на основании изучения этих деталей стремясь познать живое существо как целое.

Конечно, детальный анализ веществ и явлений, свойственных живым телам, чрезвычайно важен, совершенно необходим для правильного понимания жизни. Блестящие успехи современной биохимии и биофизики являются наглядным доказательством этого. Но как бы глубоко и полно мы не познали вещества, структуры и процессы, лежащие в основе организации современных живых тел, мы никогда, исходя только из одного этого, не сможем ответить на вопрос, почему эта организация является именно такой, какой она есть, в частности такой «целесообразной», т. е. организацией, при которой строение всех составляющих организм частей (молекул, органоидов и органов) так совершенно приспособлено к выполняемым ими функциям, а весь организм как целое приспособлен к существованию в данных условиях внешней среды.

Все религиозные учения видят причину этой целесообразности в творческой воле создателя, который породил жизнь согласно определенному плану  и  направил

ее прогрессивное  развитие  к  единой  финальной  цели, к конечному совершенству. Такой точки зрения придерживаются, однако, не только теологи, но и представители других идеалистических учений (холисты, финалисты, органицисты).

Только на основе диалектико-материалистических представлений, рассматривающих жизнь как особую качественно новую форму организации и движения материи, возникшую когда-то в процессе эволюционного развития материи, можно рационально подойти к решению проблемы происхождения жизни.

Успехи, достигнутые в настоящее время в различных областях современного естествознания, позволяют нам на указанной основе наполнить конкретным содержанием и первую часть нашей формулы, раскрыть те пути, которыми происходило возникновение жизни из безжизненной материи.

В разных пунктах Вселенной, на различных объектах нашего звездного мира эволюционное развитие материи осуществлялось и осуществляется различными путями и в различных темпах. Поэтому в схеме мы не должны его себе представлять как какую-то прямую линию, а скорее как целый пучок различных путей, отдельные ответвления которых могут приводить к очень сложным, совершенным, но глубоко различным между собой формам организации и движения материи.

Изучение зарождения жизни на Земле представляет собой исследование лишь одного примера события, которое должно было происходить в мире бессчетное число раз. Поэтому выяснение вопроса о том, как появилась жизнь на Земле, безусловно, должно служить убедительным доводом в пользу теории о существовании жизни и на других объектах Вселенной.                                                          

Современные концепции происхождения жизни.

Определение жизни как «особой, очень сложной формы движения материи» отражает ее качественное своеобразие, несводимость биологических законов к химическим и физическим. Однако оно носит общий характер. Существуют и другие определения, основанные на выделении комплекса свойств, который обязателен для живых форм. Одно из них характеризует жизнь как макромолекулярную открытую систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Жизнь, согласно этому определению, представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.

Попытки решения вопросов о происхождении природы и сущности жизни породили разные концепции возникновения жизни на Земле:

1) жизнь возникала неоднократно и самопроизвольно из неживого вещества;

2) жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

3) жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

4) жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

Первая идея, которая была выдвинута, - это идея самопроизвольного зарождения жизни. Самопроизвольное зарождение лягушек, мышей, саламандр, ягнят из различных материальных образований, в том числе гниющей земли, отбросов и иных объектов, рассматривалось многими выдающимися мыслителями: Фалесом, Анаксагором, Аристотелем, Коперником, Декартом, Галилеем, Ламарком, Гегелем. Благодаря этому идея самопроизвольного зарождения организмов просуществовала, не меняясь, долгие века.

В XVII веке опыты Реди показали, что без мух черви в гниющем мясе не обнаружатся, а если прокипятить органические растворы, то микроорганизмы в них не смогут зарождаться. Однако только в 60-х годах XIX века Л.Пастер в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в растворах только потому, что туда раньше были занесены их зародыши. Он ввел методы асептики и антисептики, а в 1888 году создал и возглавил институт микробиологии, впоследствии Пастеровский институт. Являясь основоположником современной микробиологии и иммунологии, Л.Пастер известен также своими работами по асимметрии молекул, которые легли в основу стереохимии. Молекулярная асимметрия, открытая Л.Пастером, явилась одним из доказательств земного происхождения жизни и имела огромное значение для понимания особенностей мирового эволюционного процесса. Опыты Л.Пастера имели двоякое значение: 1) они доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни; 2) обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от живого.

Практически одновременно с работами Л.Пастера на стыке космогонии и физики ученым Г.Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса. Согласно этой идее зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции живого. Таким образом, жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Галактики. Подобные мысли разделяли крупнейшие ученые конца XIX – начала ХХ века: Либих, Кельвин, Гельмгольц, У. Томсон и другие, что способствовало ее широкому распространению. В 1908 году шведский химик Сванте Аррениус поддержал гипотезу происхождения жизни из космоса. Он описывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Частицы жизни, носящиеся в бескрайних просторах космоса, переносились давлением света от звезд, оседали на планете с подходящими условиями для жизни и начинали новую жизнь на таких планетах. Эти идеи поддерживали выдающиеся русские ученые: академики С.П.Костычев, Л.С.Берг, П.П.Лазарев. Эти взгляды получили название концепции панспермии.

В 1924 году вышла книга «Происхождение жизни» отечественного ученого А.И.Опарина, который утверждал, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана. Под влиянием различных факторов природы эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеотидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном «бульоне» гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, которые, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что свойственно атмосфере и в настоящее время.

В 1953 году американский ученый Л.С.Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрические разряды через смесь нагретых газов Н2, Н2О (в виде пара), СН4 и NH3, он получил набор нескольких аминокислот и органические кислоты. С.Фокс выдерживал сухую смесь аминокислот при 130 ºС в сосудах, приготовленных из кусков вулканической лавы, и получил в результате полипептиды. Оказалось, что можно синтезировать очень многие органические соединения, входящие в состав биологических полимеров-белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. Более 4 млрд. лет назад «колбой» Миллера был весь земной шар. Извергались вулканы, с которых стекали потоки раскаленной лавы, клубы пара окутывали Землю, атмосфера была насыщена электричеством. По мере остывания планеты водяные пары атмосферы выпадали ливнями. В этих условиях возникли предпосылки для длительного равновесия основных параметров, при которых могла зародиться жизнь. В этот период процессы в земных оболочках планеты были неравновесными. Однако такие газы, как Н2, Н2О (в виде пара), СН4, NH3, имелись в достаточном количестве для взаимодействий, рассмотренных Миллером. В отдельных относительно спокойных областях планеты начала зарождаться жизнь. Это происходило сразу во многих местах. Наверное, часто аминокислоты гибли, но кое-где им удавалось продержаться подольше, превратиться в белки и более сложные соединения.

В работе «Об условиях появления жизни на Земле», вышедшей в 1931 году В.И.Вернадский ставит вопрос о первом появлении жизни, издавна волновавший философов. Однако он пытается разрешить этот вопрос не как философ, а как ученый. При этом, как считает Вернадский, можно научно подойти к решению этой проблемы, но не во всей ее полноте. «Это необходимо учитывать и резко определять область, которая подлежит в данное время научному ведению. Этой областью не будет решение вопроса о механизме зарождения или появления жизни на нашей планете, абиогенеза, например, но ею может являться определение условий, в которых такое появление или зарождение единственно возможно». В.И.Вернадский подчеркивает два важнейших, с геологической точки зрения, положения: во-первых, планетный, геологически закономерный характер жизни, и, во-вторых, теснейшую связь всех геологических процессов в биосфере с деятельностью живого вещества. Таким образом, понимание жизни как планетного явления приводит к представлениям о прямой зависимости существования биосферы от условий, созданных геологическими (в широком смысле слова) процессами. Таким образом, Вернадский сводит проблему зарождения жизни к проблеме возникновения биосферы, т.е. к определению тех условий, при которых возможно осуществление биогеохимических функций биосферы. Он считает, что такие условия могли возникнуть после выделения Луны из Земли и образования Тихого океана. В.И.Вернадский пишет: «Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде одного какого-нибудь вида организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы». При этом он допускает в качестве механизма возникновения жизни как абиогенез, так и проникновение живого вещества извне, из космоса. Абиогенез, как считает Вернадский, несмотря на то, что мы не наблюдаем сейчас его проявлений, мог существовать в определенных условиях до появления биосферы. В работе «Начало и вечность жизни», вышедшей в 1922 году В.И.Вернадский анализирует различные механизмы возникновения жизни и приходит к выводу, что жизнь могла быть вечной, не иметь начала: «Указание на логическую необходимость признания начала для эволюционного процесса имеет скорее философский, чем научный интерес. В конце концов, мы так же мало можем говорить о начале, как и о конце эволюционного процесса». По мнению В.И.Вернадского, земная кора это область былых биосфер. Биосфера существовала на протяжении геологической истории от криптозоя до наших дней и была широко проникнута живым веществом. В работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружение» В.И.Вернадский пишет: «Мы не знаем никакого промежутка времени на нашей планете, когда на ней не было бы живого вещества, не было бы биосферы». Биосфера непрерывно функционирует только в силу своей неразрывной связи с другими геосферами нашей планеты.

Сегодня проблема происхождения жизни исследуется широким фронтом различных наук. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого исследуется и преобладает в данном изучении (вещество, информация, энергия), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить:

1) концепция субстратного происхождения жизни (ее придерживаются биохимики, впервые высказал А.И.Опарин);

2) концепция энергетического происхождения (И.Пригожин, А.Волькенштейн);

3) концепция информационного происхождения (ее развивали А.Н.Колмогоров, А.А.Ляпунов, Д.С.Чернавский и др.).

Из конкретных концепций, получивших сегодня признание, кроме гипотезы А.И.Опарина о путях эволюции обмена веществ, можно выделить концепцию о передаче наследственной информации английского ученого Дж.Холдейна, имевшего труды по генетике, биохимии, применению математических методов в биологии. Все концепции ставят целью определить тот низший порог, с которого начинает действовать естественный отбор на биологическом уровне, а значит, начинают функционировать биологические законы. Однако ниже этой границы действуют другие законы – закономерности эволюционной химии, т.е. совсем иная форма естественного отбора. В 1969 году А.П.Руденко предложил химический аспект происхождения жизни. Используя положение Ч.Дарвина о естественном отборе и принцип усложнения и прогрессивной направленности эволюции, он заложил теоретическую базу эволюционной химии.

Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика особенностей доклеточного предка. Хорошо известен факт, что для саморепродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты. Отсюда следуют два вопроса: 1) что было первичным – белки или нуклеиновые кислоты; 2) если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то, как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?

Существует еще одно важное и пока не нашедшее объяснения различие в свойствах живого и неживого вещества. В неживом веществе того же химического состава, что и живое, не происходит поворот плоскости поляризации проходящего через него света. Однако все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурация). Молекулы ДНК и РНК поворачивают луч света вправо, то есть обладают правой или Р-конфигурацией. Молекулярная стереоизометрия, или молекулярная хиральность, присуща только живой природе и является ее неотъемлемым свойством.